變頻技術(shù)在風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能改造中的應(yīng)用研究

當(dāng)前變頻技術(shù)正處于不斷完善與發(fā)展的過(guò)程中，調(diào)速性能亦在不斷完善之中，同時(shí)其交流調(diào)速功能也在諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文首先簡(jiǎn)單地介紹了變頻技術(shù)的概況，然后分析了變頻器在風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)變頻原理的闡述，體現(xiàn)出變頻技術(shù)在風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能改造中的主要優(yōu)勢(shì)，并研究了在風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能改造中變頻技術(shù)的一些應(yīng)用。

據(jù)相關(guān)研究表明，在我國(guó)整體電機(jī)裝機(jī)量組成成分中，風(fēng)機(jī)與水泵配套電機(jī)系統(tǒng)占據(jù)其中的60%左右，所耗費(fèi)的電能約占據(jù)我國(guó)總發(fā)電量的30%。當(dāng)前很大一部分電廠依然選用傳統(tǒng)擋風(fēng)板及相關(guān)閥門的自主控制方式來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的風(fēng)力、液體流量，控制其壓力，本質(zhì)上主要是采取人為干涉附加阻力的方式，以高成本、高能量消耗的工作方式作為生產(chǎn)運(yùn)作的前提。此種傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)技術(shù)不僅是浪費(fèi)電能的表現(xiàn)，同時(shí)由于其整合準(zhǔn)確度較低，調(diào)度精度有限，不能較好地迎合現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)作的需求。因此，為了走可持續(xù)、科學(xué)發(fā)展的道路，做到能源的最優(yōu)配置，需對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵系統(tǒng)實(shí)施變頻節(jié)能改造。

1 變頻技術(shù)概述

變頻技術(shù)屬于電子技術(shù)中的一種。變頻器主要是基于變頻技術(shù)而衍生的電氣設(shè)備，用于調(diào)控電源頻率，通常應(yīng)用在較大一部分以電機(jī)帶動(dòng)為主要驅(qū)動(dòng)力的場(chǎng)合中。它具備高精度的速度控制優(yōu)勢(shì)，能夠準(zhǔn)確、快速地對(duì)機(jī)械設(shè)備傳動(dòng)升降進(jìn)行控制，同時(shí)調(diào)節(jié)其變速運(yùn)行。變頻器不會(huì)受到電機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)及工作條件的限制，能夠維持較長(zhǎng)時(shí)間在高負(fù)荷的工況中運(yùn)行。變頻器主要由鍵盤、電源板、控制主板、整流橋、電解電容、充電電阻、繼電器等部件構(gòu)成。其低頻力矩較大，輸出比較平穩(wěn)，能夠進(jìn)行高性能的矢量控制，轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快，穩(wěn)速精度高，減速停車響應(yīng)速度較快，同時(shí)具備較強(qiáng)的抗干擾能力。將變頻技術(shù)應(yīng)用于電機(jī)改造中，能夠充分發(fā)揮其自身優(yōu)勢(shì)，達(dá)到節(jié)能的目的，為機(jī)械生產(chǎn)奠定良好的控制基礎(chǔ)。

2 變頻控制器在風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)框架

變頻控制器在風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用主要通過(guò)預(yù)先輸入風(fēng)壓設(shè)定值，通過(guò)風(fēng)壓傳感器將預(yù)設(shè)的風(fēng)壓信號(hào)傳輸至變頻控制器，然后通過(guò)預(yù)先編制的程序?qū)嵤┻\(yùn)算，并根據(jù)壓力變化調(diào)節(jié)不同的控制信號(hào)，進(jìn)而改變風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度，達(dá)到調(diào)控風(fēng)壓的目的。然后風(fēng)壓通過(guò)傳感器將信號(hào)傳輸至變頻控制器，以實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)控制。在變頻前提下，通過(guò)改變風(fēng)機(jī)輸入的電壓情況，即可實(shí)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。設(shè)定n為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，f為其轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率，p為電機(jī)的風(fēng)力級(jí)別。則可將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度表示為

同時(shí)可將改變風(fēng)機(jī)的變動(dòng)速度，來(lái)控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)作情況的關(guān)系通過(guò)公式體現(xiàn)。同樣以n表示風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，以Q表示風(fēng)量情況，P表示風(fēng)壓，N為風(fēng)機(jī)的功率。此時(shí)便可得出 1式：，2式：，3式：。將1、2式代入系統(tǒng)曲線公式中，經(jīng)過(guò)公式換算，則可得出。通常在使用風(fēng)機(jī)時(shí)，其風(fēng)量、風(fēng)壓的預(yù)先設(shè)定值必須大于實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)作的需要。一般壓力需超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值的20%左右，風(fēng)量則需超過(guò)約10%。原始的調(diào)控方法雖然相對(duì)而言比較簡(jiǎn)單，但選用傳統(tǒng)的擋板式閥門調(diào)節(jié)方式不僅會(huì)導(dǎo)致能源的浪費(fèi)，同樣會(huì)在一定程度上造成噪聲污染。

2.2 變頻技術(shù)節(jié)能原理

(1)風(fēng)機(jī)節(jié)能原理。風(fēng)機(jī)改造中應(yīng)用變頻技術(shù)原理，主要基于降低空氣內(nèi)部阻力的視角，來(lái)達(dá)到節(jié)電、節(jié)能的目的。較之常規(guī)的原始調(diào)節(jié)方法而言，其節(jié)電優(yōu)勢(shì)較為明顯。風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線圖如圖一所示。其中1、2、3、4分別代表四種不同的變頻控制曲線，曲線1為風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)速一定的情況下的風(fēng)壓及風(fēng)量，曲線2表示在風(fēng)門全開情況下管網(wǎng)內(nèi)部風(fēng)阻的特性。曲線4則表示風(fēng)門全開情況下變頻運(yùn)行的情況。若設(shè)定風(fēng)機(jī)于A點(diǎn)時(shí)運(yùn)作效率最佳，此時(shí)橫縱軸分別對(duì)應(yīng)的風(fēng)量為Q1，風(fēng)壓為H2，此時(shí)若將風(fēng)量降低，調(diào)節(jié)至Q2的位置，此時(shí)相當(dāng)于強(qiáng)化管網(wǎng)的阻力，同時(shí)風(fēng)機(jī)阻力特性增加，風(fēng)壓并沒(méi)有下降，反而增高。由此可知，風(fēng)機(jī)的軸功率與其曲線面積呈正相關(guān)。據(jù)曲線模型分析，可知采用變頻技術(shù)調(diào)節(jié)后，功率顯著降低，具備良好的節(jié)能效益。以流體力學(xué)原理作為參考，當(dāng)變頻器在實(shí)施風(fēng)速調(diào)節(jié)時(shí)，轉(zhuǎn)速與風(fēng)量同時(shí)下降，此時(shí)系統(tǒng)功率也在同步下降，節(jié)能效益較為可觀。

(2)水泵節(jié)能原理。相較風(fēng)機(jī)而言，水泵具有較強(qiáng)的連續(xù)性，傳統(tǒng)的電廠供水系統(tǒng)中，水泵機(jī)組要么工頻運(yùn)行，要么備用，且主要由技術(shù)員操作切投，這就直接導(dǎo)致水管壓力不恒定，能耗高。為了改變這種狀況，某電廠將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于電廠供水系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)改造后，供水母管壓力穩(wěn)定，表現(xiàn)出了顯著的節(jié)能效果。

變頻器恒壓給水控制原理圖。該系統(tǒng)由DCS控制電機(jī)的切投，而與電機(jī)直連的變頻器則提供經(jīng)過(guò)有效變頻的電源，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)由DCS內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)器提供。從結(jié)構(gòu)原理上看，該系統(tǒng)首先將預(yù)設(shè)的水壓、水位等信號(hào)與母管相關(guān)信號(hào)對(duì)比，得出一個(gè)差值信號(hào)，以該信號(hào)指導(dǎo)DCS切投電機(jī)，而DCS又能通過(guò)內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)，使變頻器發(fā)出一個(gè)合理的頻率信號(hào)，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，以此調(diào)節(jié)母管壓力。

該電廠通過(guò)此改造，結(jié)合實(shí)際工藝要求，采集母管多點(diǎn)水壓信號(hào)，得出合理的平均值進(jìn)行控制，后續(xù)通過(guò)MATLAB結(jié)合Simulink仿真，選取PID參數(shù)，靜動(dòng)態(tài)輸出相應(yīng)均比較優(yōu)秀，實(shí)際運(yùn)行中也取得了良好的效果。

3 變頻技術(shù)改造的主要優(yōu)勢(shì)

首先，通過(guò)變頻技術(shù)改造后，能夠?qū)㈦姍C(jī)的啟動(dòng)電流控制在一定的范圍內(nèi)。在未實(shí)施改造前期，電機(jī)若直接啟動(dòng)，則電流的消耗將大于標(biāo)準(zhǔn)電流的5倍左右，此時(shí)由于電流值過(guò)大，導(dǎo)致電機(jī)機(jī)組由于電應(yīng)力作用，產(chǎn)生過(guò)多的熱量，造成能源浪費(fèi)，導(dǎo)致其機(jī)組使用壽命降低。而采用變頻技術(shù)改造后，通過(guò)變頻調(diào)速，能夠在轉(zhuǎn)速、電壓為零的情況下實(shí)現(xiàn)機(jī)組的啟動(dòng)，有效降低啟動(dòng)時(shí)的電能消耗，強(qiáng)化機(jī)組內(nèi)部繞組的承載力，延長(zhǎng)其的使用壽命。

其次，減少機(jī)器控制的電壓波動(dòng)。在大型設(shè)備電機(jī)啟動(dòng)初期，電流的迅速增加會(huì)在一定程度上導(dǎo)致電壓波動(dòng)頻繁，傳統(tǒng)電機(jī)電壓控制主要由其電機(jī)的功率及配置電網(wǎng)的系統(tǒng)容量所決定。若硬性降低電壓，則會(huì)導(dǎo)致配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)異常，發(fā)生跳閘等現(xiàn)象，影響電機(jī)的正常運(yùn)作。而在風(fēng)機(jī)、水泵改造中應(yīng)用變頻技術(shù)后，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)零壓?jiǎn)?dòng)，保持電壓處于正常范圍內(nèi)，在設(shè)備工作負(fù)荷較小的情況下，實(shí)施低速運(yùn)行，顯著降低能源消耗，且減少電機(jī)之間的磨損、熱量消耗，能夠有效延長(zhǎng)機(jī)組的使用壽命，同時(shí)在降低運(yùn)作成本方面的作用也較為顯著。電機(jī)的能量消耗與其運(yùn)作轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)的函數(shù)關(guān)系，實(shí)施變頻傳感控制后，有效調(diào)節(jié)不同時(shí)段設(shè)備的運(yùn)作情況，降低電壓、電流的波動(dòng)速率，降低維修率，延長(zhǎng)機(jī)器設(shè)備的使用壽命，最終使企業(yè)走上可持續(xù)發(fā)展的道路。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，將變頻技術(shù)應(yīng)用于大型設(shè)備的交流調(diào)速中，能夠顯著體現(xiàn)其性能優(yōu)勢(shì)，針對(duì)風(fēng)機(jī)而言，變頻控制器條件能夠有效取代傳統(tǒng)能耗較為嚴(yán)重的擋風(fēng)板式調(diào)節(jié)，降低風(fēng)機(jī)的電流沖擊，減少機(jī)械設(shè)備的震動(dòng)頻率，降低設(shè)備故障產(chǎn)生的幾率，減少設(shè)備的維修量，實(shí)現(xiàn)風(fēng)量、風(fēng)壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能的作用。對(duì)于水泵改造來(lái)說(shuō)，將變頻技術(shù)應(yīng)用于節(jié)能改造中，能夠顯著降低水泵壓力的浪費(fèi)，避免機(jī)器做較多的無(wú)用功，將水泵電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行壓力控制在正常范圍內(nèi)，降低壓力能源的消耗，優(yōu)化電機(jī)能源配置，減少運(yùn)作成本。總之，在風(fēng)機(jī)、水泵電動(dòng)機(jī)改造中應(yīng)用變頻技術(shù)，能夠充分發(fā)揮其自身優(yōu)勢(shì)，達(dá)到能源最優(yōu)利用的目的。